(57)【要約】【課題】燃料電池から瞬間的に多量の液水が排出された場合でも、アノード出口に設置された気液分離装置から液水が溢れ出すことを防止することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、アノード２から排出されるアノードオフガスの気液分離を行なう気液分離装置１５と、アノード２で凝縮した凝縮水を回収するドレインタンク１６とを備え、気液分離装置１５とドレインタンク１６とを連通弁１７を介して連通させ、気液分離装置１５の水量上昇速度が所定の閾値以上になると連通弁１７を開放して気液分離装置１５の液水をドレインタンク１６に移動させることを特徴とする。【選択図】図１
2007073280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムにおいて、
前記アノードから排出されるアノードオフガスの気液分離を行なう気液分離装置と、
前記アノードで凝縮した凝縮水を回収するドレインタンクとを備え、
前記気液分離装置と前記ドレインタンクとを連通弁を介して連通させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離装置と前記ドレインタンクは、排水用開閉弁の設置された排水管路と、水位を検出するための水位検出手段とをそれぞれ備え、
前記水位検出手段によって所定の上限水位になったことが検出されると前記排水用開閉弁を開放して排水を実施し、所定の下限水位になったことが検出されると前記排水用開閉弁を閉じて排水を終了することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記気液分離装置における水量上昇速度が所定の閾値以上になると前記連通弁を開放することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ドレインタンクの上限水位は、前記気液分離装置の上限水位よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックから取り出される取り出し電流の時間変化量が所定の閾値以上になると、前記連通弁を開放することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
当該燃料電池システムを起動させるときには、前記気液分離装置と前記ドレインタンクの水位を下限水位に低下させ、前記連通弁を開放した状態にしてから起動させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックのアノード出口に気液分離装置を備えた燃料電池システムに係り、特に燃料電池から瞬間的に多量の液水が排出された場合でも気液分離装置から液水が溢れ出すことを防止する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電する装置であり、その一つとして電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では、安定した発電を行うために燃料極への水素の供給量は、発電に必要な量よりも多く供給する必要があり、燃料電池の燃料極出口からは化学反応しなかった余剰の水素が排出される。したがって、水素の利用効率をより向上させるためには、排出される残燃料を電動ポンプなどの循環装置によって再び供給側へ循環させる必要があった。
【０００４】
また、燃料極は湿潤状態に保たれている必要があるので、燃料ガスを加湿して供給したり、酸化剤極から水を逆拡散させたりして燃料極の湿潤状態を保っていた。そのため、燃料極の出口には余剰の水分を気液分離させるための気液分離装置が設置されていた。
【０００５】
このような燃料極の出口に気液分離装置の設置された燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００４−２８８４９１号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００６】
この従来例では、アノードの出口に気液分離装置を設置し、液面計によって気液分離装置内の水の量を管理して外部に排水していた。
【特許文献１】特開２００４−２８８４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池にかかる負荷が大きく変動した場合など瞬間的に多量の液水がアノードから排出されると、気液分離装置から液水が溢れ出し、燃料電池がフラッディングを起こして燃料の循環が行なわれなくなってしまうという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池システムにおいて、前記アノードから排出されるアノードオフガスの気液分離を行なう気液分離装置と、前記アノードで凝縮した凝縮水を回収するドレインタンクとを備え、前記気液分離装置と前記ドレインタンクとを連通弁を介して連通させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムでは、気液分離装置とドレインタンクとを連通弁を介して連通させたので、燃料電池が高負荷で運転されて瞬間的に多量の液水がアノードから排出された場合でも、連通弁を開放することによって気液分離装置とドレインタンクとを接続することができ、これによって気液分離装置からドレインタンクへ水を移動させることができるので、気液分離装置から液水が溢れ出すことを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、アノード２とカソード３とを備える燃料電池スタック４と、燃料電池システム１を制御するコントローラ５と、水素ガスを貯蔵する水素タンク６と、水素タンク６から水素ガスを供給する水素供給バルブ７と、水素タンク６から供給される高圧水素を減圧して調節する水素調圧弁８と、燃料電池スタック４で消費されなかった水素ガスを再循環させる水素還流路９と、燃料電池スタック４から排出されたアノードオフガスの温度を検出する温度センサ１０と、燃料電池スタック４のアノード２の出口圧力を検出する圧力センサ１１と、水素還流路９内の水素ガスを循環させる水素循環ポンプ１２と、燃料電池スタック４における反応で使用されない窒素などの不純物を水素還流路９から排出する窒素パージ弁１３と、アノード２から排出されるアノードオフガスを１つにまとめて排出するスタックマニホールド１４と、スタックマニホールド１４から排出されるアノードオフガスの気液分離を行なう気液分離装置１５と、スタックマニホールド１４で凝縮した凝縮水を回収するドレインタンク１６と、気液分離装置１５とドレインタンク１６とを連通させる連通弁１７と、吸入する空気量を検出するエアフロメータ１８と、外部から取り入れた空気を加圧してカソード３に供給するコンプレッサ１９と、カソード３に供給される空気の温度を調節するクーラー２０と、カソード３に供給される空気を加湿する加湿装置２１と、燃料電池スタック２における空気の圧力を調節する空気調圧弁２２とを備えている。
【００１３】
ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック４ではアノード２に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード３に酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
【００１４】
アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
そして、この燃料電池スタック４では、カソード３からアノード２に水分を逆拡散させて加湿を行なっている。
【００１５】
また、燃料電池スタック４のアノード２に水素ガスを供給する水素供給系では、水素タンク６から水素供給バルブ７、水素調圧弁８を通じて燃料電池スタック４のアノード２に水素ガスが供給される。このとき、水素タンク６から供給される高圧水素は、水素供給バルブ７で減圧され、さらに水素調圧弁８の開度を調節することによって所望の圧力に調節されて燃料電池スタック４のアノード２に供給されている。
【００１６】
また、燃料電池スタック４のアノード２で消費されなかった水素ガスは、水素循環ポンプ１２によって水素還流路９を通って燃料電池スタック４のアノード２に再循環されている。
【００１７】
さらに、水素供給系内に蓄積した窒素を排出するために水素還流路９から分岐したパージラインが設置され、このパージラインには窒素パージ弁１３が設置されて不純物である窒素を排出するとともに、燃料電池スタック４のガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばしている。また、燃料電池スタック４の起動時には水素供給系を水素ガスで置換するために水素供給系内にあるガスの排出も行っている。
【００１８】
一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、エアフロメータ１８を通じて外部から取り入れられた空気をコンプレッサ１９によって加圧し、燃料電池スタック４のカソード３に供給している。このとき、加湿装置２１によってカソード３に供給される空気に湿度が与えられている。
【００１９】
また、燃料電池スタック４のカソード３から排出されたカソードオフガスは加湿装置２１を経由して空気調圧弁２２で、その圧力が調節されて排気されている。
【００２０】
次に、燃料電池スタック４のアノード２の出口周辺の構成を図２に基づいて説明する。図２はアノード２の出口周辺を拡大した図である。図２に示すように、アノード２の出口に設置されたスタックマニホールド１４は複数の経路を流れてきたアノードオフガスを一つにまとめてスタックメイン出口３１から排気している。このアノードオフガスはカソード３で余剰となった逆拡散水とアノード２の反応で使用されなかった余剰の水素ガスとが混合したもので、気液混合ガスとなってアノード２から排出されている。こうして排出されたアノードオフガスは気液分離装置１５を通って水素還流路９へ流れていく。このとき、気液分離装置１５ではアノードオフガスの気液の分離が行なわれ、分離された水は気液分離装置１５に貯められていく。
【００２１】
一方、アノードオフガス中に含まれる液水の一部はスタックマニホールド１４内で凝縮し、凝縮水としてスタックマニホールド１４の下部に滞留する。そして、溜まった凝縮水はスタックマニホールド１４の下部に接続された排水用のドレイン管路３２を通じてドレインタンク１６へスタックマニホールド１４内のガス圧力によって輸送される。
【００２２】
ここで、気液分離装置１５とドレインタンク１６は同じ高さに配設されており、連通弁１７が開放されて連通された際には、それぞれの水面が一致するような構成となっている。
【００２３】
また、気液分離装置１５には内部の液水を排出するための水排出管路３３が接続されており、この水排出管路３３には排水用開閉弁３４と、排水の際の液水流量を調整するオリフィス３５が設置されている。
【００２４】
同様に、ドレインタンク１６にも内部の液水を排出するための水排出管路３６が接続されており、この水排出管路３６には排水用開閉弁３７と、排水の際の液水流量を調整するオリフィス３８が設置されている。
【００２５】
また、気液分離装置１５とドレインタンク１６には、それぞれ内部に溜まった液水の水位を計測するための水位センサ（水位検出手段）４０、４１が取り付けられており、水面の位置を水位として検知してコントローラ５に出力している。図中の水位センサ４０、４１にはそれぞれ上限水位４２、４３と、下限水位４４、４５が設定されており、これらの水位は任意に設定することができる。
【００２６】
コントローラ５は、水位センサ４０、４１で検出された水位に基づいて気液分離装置１５とドレインタンク１６の水位をコントロールしており、水位が上昇して上限水位４２、４３に達すると排水用開閉弁３４、３７を開放して内部の液水を水排出管路３３、３６から外部に排出する。そして、排水が進むにつれて水位が下降して下限水位４４、４５に達すると、排水用開閉弁３４、３７を閉じて水面が常に下限水位４４、４５以上にあるように保持している。これにより、排水用開閉弁３４、３７及び水排出管路３３、３６を通じて外部に燃料ガスが排出されることを防いでいる。
【００２７】
また、これらの気液分離装置１５とドレインタンク１６は、連通弁１７を介して接続されており、コントローラ５からの指令によって連通弁１７は開放され、気液分離装置１５とドレインタンク１６は連通される。この気液分離装置１５とドレインタンク１６の接続位置は、下限水位４４、４５の近傍、あるいは下限水位４４、４５よりも下に設置されており、水位制御範囲内で気液分離装置１５とドレインタンク１６の水面位置が同じになるように構成されている。
【００２８】
次に、本実施形態の燃料電池システム１による水位制御処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。図３に示すように、まず水位センサ４０、４１で検出された出力値を読み出し（Ｓ３０１）、この出力値が上限水位４２、４３以上であるか否かを判定する（Ｓ３０２）。
【００２９】
ここで、上限水位４２、４３以上と判定されると、排水用開閉弁３４、３７を開放して（Ｓ３０３）貯まった水を水排出管路３３、３６から外部へ排出する。
【００３０】
その後、再び水位センサ４０、４１で検出された出力値を読み出し（Ｓ３０４）、この出力値が下限水位４４、４５以下であるか否かを判定する（Ｓ３０５）。
【００３１】
そして、下限水位４４、４５以下と判定されると、開放していた排水用開閉弁３４、３７を閉じて（Ｓ３０６）排水を終了し、ステップＳ３０１に戻って上述した処理を燃料電池システム１の運転中繰り返し実施する。
【００３２】
このようにして、本実施形態の燃料電池システム１では、気液分離装置１５とドレインタンク１６の水位が一定の範囲内となるように制御している。
【００３３】
次に、定常運転時における燃料電池スタック４のアノード２から排出される液水の排出量について説明する。図４は燃料電池スタック４から取り出される取り出し電流値とアノード２における単位時間あたりの液水の排出量との関係を示す図である。図４に示すように、アノード２から排出される単位時間当たりの液水の量（ｍｌ／ｍｉｎ）は取り出し電流値（Ａ）に比例して増加していくことが分かる。こうして排出されたアノード２からの液水はスタックマニホールド１４において、一部はドレイン管路３２を通じてドレインタンク１６に導入され、一部はアノードオフガスと共にスタックメイン出口３１から気液分離装置１５に導入され、気液分離されて回収される。
【００３４】
ところが、ドレイン管路３２から回収される液水量と気液分離装置１５で回収される液水量の割合は燃料電池スタック４の取り出し電流値によって変化する。そこで、燃料電池スタック４の取り出し電流値とドレイン管路３２に流れる液水量の割合を図５に基づいて説明する。図５に示すように、低負荷で取り出し電流値が小さいときには、水素還流路９内の流量が比較的小さくなり、アノード２から排水された液水の多くはドレイン管路３２からドレインタンク１６に排出されている。
【００３５】
ところが、高負荷で取り出し電流値が大きくなってくると、水素還流路９内の流量が大きくなり、アノードオフガスと共にスタックメイン出口３１から排出され、気液分離装置１５で回収される液水の割合が高くなっていく。
【００３６】
したがって、取り出し電流値毎に、ドレイン管路３２から排出される液水量と気液分離装置１５で回収される液水量との割合に基づいて、気液分離装置１５とドレインタンク１６の体積及び上限水位４２、４３、下限水位４４、４５を設定して液面制御をする必要がある。
【００３７】
しかし、一定の取り出し電流値で運転している場合であっても、車両に搭載されている燃料電池システム等の場合には、車両の傾きの変化などによって液水が急激に排出される場合がある。
【００３８】
このような場合が取り出し電流値の低い低負荷のときであれば、急激に排出された液水をスタックマニホールド１４からドレイン管路３２へ排出し、排出しきれなければアノードオフガスと共にスタックメイン出口３１から排出して気液分離装置１５で回収することも可能であるが、取り出し電流値が大きく高負荷のときであれば、液水の多くがスタックメイン出口３１から排出されるので、気液分離装置１５から水素還流路９へ液水が溢れ出してしまう。
【００３９】
このように気液分離装置１５に液水が突出して流入した場合を想定すると、気液分離装置１５の容積を大きくしなければならず、部品の配置、容積、および装置質量の点で不利となる。しかし、図５から分かるように高負荷で取り出し電流値の大きいときにはドレイン管路３２から排出される液水は少なくなる。したがって、連通弁１７を開放することによって、気液分離装置１５とドレインタンク１６とを連通させ、気液分離装置１５の液水の一部をドレインタンク１６に移動させることによって、気液分離装置１５から液水が溢れ出して水素還流路９へ流れ出すことを防ぐことができる。さらに、気液分離装置１５の容積を大きくする必要もないので、質量や容積の増加を防ぐこともできる。
【００４０】
また、ドレインタンク１６の上限水位４３を気液分離装置１５の上限水位４２よりも低く設定しておくことにより、連通弁１７を開放して気液分離装置１５からの液水をドレインタンク１６に移動させた際に、ドレインタンク１６側が先に排水が開始されるので、気液分離装置１５からの液水を受け入れるための容積を確保することが可能になる。
【００４１】
次に、本実施形態の燃料電池システム１による水位制御処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。また、この水位制御処理を実施した場合の連通弁１７の開閉による水位の変化の一例を図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す。
【００４２】
図６に示すように、まず気液分離装置１５の水位センサ４０で検出された出力値をコントローラ５が読み取り、単位時間当たりの水位の変化量ΔＬ／Δｔを算出する。そして、この水位の変化量ΔＬ／Δｔにその水位における気液分離装置１５の断面積を掛けると、単位時間当たりに気液分離装置１５に流入する液水の水量、すなわち流入速度ΔＶ／Δｔを算出することができる。
【００４３】
ここで、連通弁１７の開閉を判断するためには気液分離装置１５の排水用開閉弁３４を開放した場合に気液分離装置１５に貯まっている液水の水量が増加するか、あるいは減少するかを知る必要がある。排水用開閉弁３４を開放したときに水量が減少すれば、連通弁１７を開放する必要はなくなり、排水用開閉弁３４を開放しても水量が増加するようであれば、連通弁１７を開放しなければならない。
【００４４】
そこで、この流入速度ΔＶ／Δｔに基づいて、気液分離装置１５の排水用開閉弁３４が開放されたと仮定した場合における気液分離装置１５の水量上昇速度Ａを求める。
【００４５】
まず、排水用開閉弁３４が閉じられている場合には、排水用開閉弁３４を開放したときの排水速度αを求め、その排水速度αを利用して水量上昇速度Ａを
Ａ=ΔＶ／Δｔ―α              （３）
によって算出する（Ｓ６０１）。ただし、排水速度αは燃料電池スタック４の出口圧力と気液分離装置１５のオリフィス３５によって求めることができる。
【００４６】
また、排水用開閉弁３４がすでに開放されている場合には、算出した流入速度ΔＶ／Δｔが、気液分離装置１５の水量上昇速度Ａとなるので、
Ａ=ΔＶ／Δｔ                  （４）
によって算出する（Ｓ６０１）。
【００４７】
そして、この水量上昇速度Ａが０以上となるか否かを判定し（Ｓ６０２）、水量上昇速度Ａが０以上の場合には排水用開閉弁３４を開放しても気液分離装置１５の水量が上昇していくことになるので、気液分離装置１５が液水により溢れる可能性がある。そこで、水量上昇速度Ａが０以上の場合には連通弁１７を開放する（Ｓ６０３）。
【００４８】
例えば、図７（ａ）のＰ１において、気液分離装置１５の水位が急上昇すると、図７（ｂ）の時刻ｔ１に連通弁１７が開放される。
【００４９】
こうして連通弁１７が開放されると、気液分離装置１５の水位センサ４０で検出された出力値をコントローラ５が読み取り（Ｓ６０４）、単位時間当たりの水位の変化量ΔＬ’／Δｔを算出して、この水位の変化量ΔＬ’／Δｔが０以上であるか否かを判定する（Ｓ６０５）。
【００５０】
ここで、連通弁１７が開放されると、気液分離装置１５内の液水は、ドレインタンク１６の水位と気液分離装置１５の水位が一致するまでドレインタンク１６へと移動するので、気液分離装置１５の水位は下がっていく（Ｐ２）。
【００５１】
そして、液水の移動が完了して両方の水位が一致すると（ｔ２）、その後はそれぞれの水位は同じ変化量で上昇していく（Ｐ３）。したがって、気液分離装置１５の水位の変化量ΔＬ’／Δｔが０以上になるか否かを判定することにより、気液分離装置１５からドレインタンク１６への液水の移動が完了したことを検出することができる。
【００５２】
こうして、液水の移動が完了してそれぞれの水面が一致したことを検出すると、次に連通弁１７を閉じたと仮定した場合における気液分離装置１５の水量上昇速度Ｂを算出する（Ｓ６０６）。
【００５３】
この水量上昇速度Ｂは、水位の変化量ΔＬ’／Δｔから流入速度ΔＶ’／Δｔを求め、気液分離装置１５の現在の水位における断面積をＳ１とし、ドレインタンク１６の現在の水位における断面積をＳ２とすると、
Ｂ=（Ｓ１＋Ｓ２）／Ｓ１×ΔＶ’／Δｔ              （５）
によって算出することができる。
【００５４】
そして、この水量上昇速度Ｂが排水速度α以上であるか否かを判定し（Ｓ６０７）、水量上昇速度Ｂが排水速度α以上の場合には連通弁１７を閉じると気液分離装置１５が溢れてしまう可能性があるので、連通弁１７を開放した状態のままにしておき（Ｓ６０８）、水位センサ４０で検出された出力値が上限水位４２以上であるか否かを判定する（Ｓ６０９）。
【００５５】
ここで、上限水位４２以上と判定されると、排水用開閉弁３４を開放して（Ｓ６１０）貯まった水を水排出管路３３から外部へ排出する。
【００５６】
その後、再び水位センサ４０で検出された出力値を読み出し（Ｓ６１１）、この出力値が下限水位４４以下であるか否かを判定する（Ｓ６１２）。
【００５７】
そして、下限水位４４以下と判定されると、開放していた排水用開閉弁３４を閉じて（Ｓ６１３）排水を終了し、ステップＳ６０５に戻って上述した処理を、燃料電池システム１の運転中繰り返し実施する。
【００５８】
一方、ステップＳ６０２で水量上昇速度Ａが０より小さいと判定された場合と、ステップＳ６０７において水量上昇速度Ｂが排水速度αよりも小さいと判定された場合には、連通弁１７を閉じたとしても、気液分離装置１５が溢れることはないので、連通弁１７を閉じる（Ｓ６１４、ｔ３）。
【００５９】
そして、水位センサ４０で検出された出力値が上限水位４２以上であるか否かを判定し（Ｓ６１５）、上限水位４２以上と判定されると、排水用開閉弁３４を開放して（Ｓ６１６）貯まった水を水排出管路３３から外部へ排出する。
【００６０】
その後、再び水位センサ４０で検出された出力値を読み出し（Ｓ６１７）、この出力値が下限水位４４以下であるか否かを判定する（Ｓ６１８）。
【００６１】
そして、下限水位４４以下と判定されると、開放していた排水用開閉弁３４を閉じて（Ｓ６１９）排水を終了し、ステップＳ６０１に戻って上述した処理を、燃料電池システム１の運転中繰り返し実施する。
【００６２】
このようにして気液分離装置１５の水位と連通弁１７の開閉を制御することにより、アノード２から急激に液水が排出された場合でも気液分離装置１５から溢れることはなくなる。
【００６３】
ところが、燃料電池システム１の運転状態を低負荷から高負荷へ変動させた場合などには、循環系内に保持されていた液水が循環流量の増加によって、アノードオフガスとともに気液分離装置１５へ排出される場合がある。このような場合には、上述した水位制御処理に加えて燃料電池スタック４の取り出し電流の時間変化量をコントローラ５が算出し、この時間変化量が所定の閾値以上になったときに連通弁１７を開放するようにしてもよい。ただし、所定の閾値は、予め実験により負荷変動に対する液水の突出量を測定しておいて決めるようにする。
【００６４】
燃料電池システム１では、低負荷から高負荷へ過渡運転を行った際には循環する水素流量が増えるため、それまでに燃料電池スタック４内で生成されてスタック内部のデッドボリウム等に蓄積されていた液水が、アノード２のスタックメイン出口３１から短時間で一度に排出されることになる。このスタックメイン出口３１からの排水は時系列的に取り出し電流値の変化が起こった後に行われるので、燃料電池スタック４の取り出し電流の時間変化に基づいて連通弁１７を開放し、気液分離装置１５とドレインタンク１６を接続しておけば、気液分離装置１５から液水が溢れ出したり、気液分離性能が落ちて燃料還流路９へ液水が流れ出したりすることを防止することができる。
【００６５】
上述したように、本実施形態の燃料電池システム１では、気液分離装置１５とドレインタンク１６とを連通弁１７を介して連通させたので、燃料電池システム１が高負荷で運転されて瞬間的に多量の液水がアノード２から排出された場合でも、連通弁１７を開放することによって気液分離装置１５とドレインタンク１６とを接続することができ、これによって気液分離装置１５からドレインタンク１６へ水を移動させることができるので、気液分離装置１５から液水が溢れ出すことを防止することができる。
【００６６】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、水位センサ４０、４１によって所定の上限水位４２、４３になったことが検出されると排水用開閉弁３４、３７を開放して排水を実施し、所定の下限水位４４、４５になったことが検出されると排水用開閉弁３４、３７を閉じて排水を終了するので、気液分離装置１５とドレインタンク１６の水位を所定の範囲内に保持することができ、これによって燃料ガスの一部が排水用開閉弁３４、３７を通じて外部へ流出することを防ぐことができるとともに、液水が水素還流路９へ溢れ出すことを防ぐこともできる。
【００６７】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、気液分離装置１５における水量上昇速度が所定の閾値以上になると連通弁１７を開放するので、燃料電池スタック４への負荷が増加してアノード２から排出される液水量が急激に増加した場合でも気液分離装置１５に貯まった液水をドレインタンク１６へ移動させて排水することが可能になり、気液分離装置１５から液水が溢れ出したり、気液分離性能が低下して燃料還流路９へ液水が流れ出したりすることを防止することができる。
【００６８】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、ドレインタンク１６の上限水位４３を、気液分離装置１５の上限水位よりも低く設定しているので、連通弁１７を開放して気液分離装置１５からの液水をドレインタンク１６に移動させた際に、ドレインタンク１６側が先に排水が開始されるので、気液分離装置１５からの液水を受け入れるための容積を確保することが可能になる。
【００６９】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック４から取り出される取り出し電流の時間変化量が所定の閾値以上になると、連通弁１７を開放するので、アノード２から排出される液水が増加する前に連通弁１７を開放しておくことができ、気液分離装置１５から液水が溢れ出したり、気液分離性能が低下して燃料還流路９へ液水が流れ出したりすることを防止することができる。
【００７０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図８に基づいて説明する。図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム８１は、前回の運転時における燃料電池スタック４の発電量と排水用開閉弁３４、３７の開閉回数とを記録しておくためのメモリ８２をさらに備えたことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００７１】
通常、燃料電池システムでは、システムの起動時に燃料電池スタックを劣化させないために、水素フロントがアノード内を急速に通過できるように、急激に水素を供給する場合がある。ところが、このような場合には前回の停止時に内部に存在していた水蒸気が凝縮するため、多くの液水が気液分離装置側へ排出されてしまう。
【００７２】
そこで、起動時には連通弁１７を開放するとともに、ドレインタンク１６と気液分離装置１５のいずれの水位も下限水位４４、４５まで排水しておくようにする。
【００７３】
この処理を実施する場合には、前回の燃料電池スタック４の発電量と排水用開閉弁３４、３７の開閉回数をメモリ８２に記録しておき、発電量から生成水量を求め、排水用開閉弁３４、３７の開閉回数から前回排水した液水量を推定し、発電量から求められる生成水量が前回排水した液水量よりも多い場合には、起動時に無条件で連通弁１７を開放し、ドレインタンク１６と気液分離装置１５のいずれの水位も下限水位４４、４５まで排水しておくようにする。
【００７４】
これによって、燃料電池システム８１の起動時に凝縮水が突出して排出された場合でも、気液分離装置１５の液水をドレインタンク１６側に移動させることができ、さらに水位も下限水位４４、４５まで低下しているので、気液分離装置１５から液水が溢れ出すことはなくなる。
【００７５】
このように、本実施形態の燃料電池システム８１では、システムを起動させるときに気液分離装置１５とドレインタンク１６の水位を下限水位４４、４５に低下させ、連通弁１７を開放した状態にしてから起動させるので、前回の運転停止時にスタック内部に残された液水が急激に排出されても気液分離装置１５から液水が溢れ出すことを防止することができる。
【００７６】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
燃料電池スタックのアノード出口に気液分離装置を備えた燃料電池システムに係り、特に燃料電池から瞬間的に多量の液水が排出された場合でも気液分離装置から液水が溢れ出すことを防止するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムのアノード出口周辺の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる水位制御処理を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池システムから取り出される取り出し電流値と燃料電池スタックから単位時間当たりに排出される液水量との関係を説明するための図である。
【図５】燃料電池システムから取り出される取り出し電流値と燃料電池スタックから排出される液水量のうちドレイン流路に流れる割合との関係を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる水位制御処理を示すフローチャートである。
【図７】図７（ｂ）は連通弁の開閉状態を示し、図７（ａ）はこれに対応する気液分離装置及びドレインタンクの水位の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７９】
１、８１  燃料電池システム
２  アノード
３  カソード
４  燃料電池スタック
５  コントローラ
６  水素タンク
７  水素供給バルブ
８  水素調圧弁
９  水素還流路
１０  温度センサ
１１  圧力センサ
１２  水素循環ポンプ
１３  窒素パージ弁
１４  スタックマニホールド
１５  気液分離装置
１６  ドレインタンク
１７  連通弁
１８  エアフロメータ
１９  コンプレッサ
２０  クーラー
２１  加湿装置
２２  空気調圧弁
３１  スタックメイン出口
３２  ドレイン管路
３３、３６  水排出管路
３４、３７  排水用開閉弁
３５、３８  オリフィス
４０、４１  水位センサ（水位検出手段）
４２、４３  上限水位
４４、４５  下限水位
８２  メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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